ADS加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)

ADS概念是上個(gè)世紀(jì)90年代提出的，它的出現(xiàn)使多年的努力可變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。它主要致力于:

(1)充分利用可裂變的核資源，使鈾-238高效轉(zhuǎn)化為易裂變钚-239核，或開(kāi)發(fā)利用釷資源。

(2)在ADS的不同中子能量場(chǎng)中，可嬗變危害環(huán)境的長(zhǎng)壽命核廢物(次量錒系核素及某些裂變產(chǎn)物)為短壽命的核廢物，以降低放射性廢物的儲(chǔ)量及其毒性;而ADS本身在產(chǎn)能過(guò)程中，產(chǎn)生的核廢物卻很少，基本上是一種清潔的核能。

(3)提高公眾對(duì)核能的接受程度，因?yàn)锳DS是一個(gè)次臨界系統(tǒng),可得到根本上杜絕核臨界事故的可能性。因此，該思想在二十世紀(jì)九十年代一經(jīng)提出就受到核能界的極大興趣，因?yàn)锳DS所用的加速器不需要太高的能量和太強(qiáng)的離子流，而所用的反應(yīng)堆又是次臨界，因此,ADS已經(jīng)被世界科學(xué)界公認(rèn)為它是解決大量放射性廢物、降低深埋儲(chǔ)藏風(fēng)險(xiǎn)的最具潛力的工具，而在技術(shù)上，也是沒(méi)有不可克服的困難。

我國(guó)1995年在中國(guó)核工業(yè)總公司科技局的支持下，成立了ADS概念研究組，開(kāi)展以ADS系統(tǒng)物理可行性和次臨界堆芯物理特性為重點(diǎn)的研究工作。這項(xiàng)工作后來(lái)得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)局的支持，取得了許多方面的研究成果，研究人員由原來(lái)的中國(guó)原子能科學(xué)研究院擴(kuò)大到高能物理研究所、北京大學(xué)。1999年ADS項(xiàng)目在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持下成為國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目973項(xiàng)目之一，項(xiàng)目名稱(chēng)為"加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能系統(tǒng)的物理技術(shù)基礎(chǔ)研究"，項(xiàng)目編號(hào)為G1999022600，首席科學(xué)家為丁大釗，現(xiàn)任首席科學(xué)家為原子能院院長(zhǎng)趙志祥研究員，研究人員擴(kuò)大到清華大學(xué)、西南物理研究院、西安交通大學(xué)、南華大學(xué)等單位。項(xiàng)目下設(shè)五個(gè)課題，研究工作涉及到強(qiáng)流加速器物理、次臨界堆物理、散裂靶物理、核數(shù)據(jù)、核熱工和材料、核化學(xué)分離和嬗變等領(lǐng)域。

ADS啟明星1#次臨界實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就是在外源驅(qū)動(dòng)下，開(kāi)展研究次臨界反應(yīng)堆物理特性，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院自行設(shè)計(jì)、加工、安裝的國(guó)內(nèi)外第一個(gè)ADS次臨界反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

ADS啟明星1#次臨界實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要任務(wù)是:外推實(shí)驗(yàn)，確定次臨界度;研究ADS次臨界系統(tǒng)有效增殖因子Keff實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)督的方法;宏觀檢驗(yàn)相關(guān)核數(shù)據(jù)和校核中子學(xué)計(jì)算程序;開(kāi)展ADS次臨界系統(tǒng)中子學(xué)研究(外中子源對(duì)次臨界反應(yīng)堆的影響);開(kāi)展長(zhǎng)壽命核素嬗變實(shí)驗(yàn)和研究等。為此，要求其結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確，材料參數(shù)可靠;結(jié)構(gòu)合理，操作方便，安全可靠;次臨界裝置邊界清楚，除束中子源外杜絕散射中子進(jìn)入;裝置水平高度可調(diào);次臨界反應(yīng)堆有效增殖系數(shù)在 0.95-0.98之間可調(diào)。

因此，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不需要控制棒，且在外源強(qiáng)度為109n/s作用下，功率只有1瓦以下，也不需要功率保護(hù)、周期測(cè)量和保護(hù)等裝置(將來(lái)的加速器加速的質(zhì)子所產(chǎn)生的散裂中子源強(qiáng)可達(dá)到~1018n/s，因此工程性的ADS功率可達(dá)到幾十萬(wàn)千瓦量級(jí))。

ADS啟明星1#次臨界實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的活性區(qū)由快區(qū)和熱區(qū)組成，快區(qū)采用天然金屬鈾元件，共264根元件插在鋁格架內(nèi)，熱區(qū)采用UO2低濃鈾元件，元件數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定為2046根，插在聚乙烯內(nèi)組成，此時(shí)的keff為0.97-0.98(待驗(yàn)證)。其反射層為聚乙烯，在活性區(qū)外面，厚度大于150 mm，在反射層的側(cè)面裝有中子探測(cè)器導(dǎo)管，用于放置中子探測(cè)器。屏蔽層區(qū)材料為含硼聚乙烯，在反射層外面，厚180mm，外型為圓形。它的外面用4mm的不銹鋼作外殼。 靶區(qū)在活性區(qū)的中心，放置中子源。

ADS啟明星1#次臨界實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)展的研究有:實(shí)驗(yàn)外推臨界值;快區(qū)熱中子通量的徑向和軸向分布測(cè)量;快區(qū)燃料元件與熱區(qū)邊沿燃料元件的關(guān)系測(cè)量;"在線(xiàn)"測(cè)量次臨界系統(tǒng)對(duì)外中子源的"瞬時(shí)響應(yīng)"等。

ADS啟明星1#次臨界實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，已經(jīng)在國(guó)際上受到了較大的關(guān)注，幾個(gè)國(guó)家都表示要進(jìn)行研究合作，它必將對(duì)國(guó)內(nèi)外的ADS研究做出貢獻(xiàn)。

在1975年之前，全球已制定了核燃料循環(huán)連貫性的計(jì)劃。首先是通過(guò)化學(xué)處理過(guò)程將鈾礦中的鈾提取出來(lái)，再將天然鈾中的可裂變同位素235U富集，然后在發(fā)電的反應(yīng)堆中燃燒235U，最后后處理乏燃料，回收殘留的235U和239Pu以重新利用。1座快中子反應(yīng)堆產(chǎn)生的钚燃料的數(shù)量比其燃燒的鈾燃料的數(shù)量多，這樣就成為1座增殖堆。而且快中子反應(yīng)堆中其它的超鈾元素也可用于燃燒，發(fā)生裂變反應(yīng)。裂變產(chǎn)物堆積下來(lái)作為廢物進(jìn)行處置，所有這些裂變產(chǎn)物的半衰期都不超過(guò)30年。快中子反應(yīng)堆最好用液體鈉冷卻。有了這一連續(xù)性的計(jì)劃，可以預(yù)見(jiàn)，所有鈾中的能量都可以釋放出來(lái)，而不僅僅是235U。在美國(guó)1979年預(yù)算中，美國(guó)能源和開(kāi)發(fā)行政部門(mén)撥款4.74億美元用于發(fā)展增殖堆，其中三分之一用于研究和開(kāi)發(fā)，絕大部分用于民用R&D項(xiàng)目。

在 20世紀(jì)70年代初期，費(fèi)米的夢(mèng)想呈現(xiàn)波折。當(dāng)時(shí)已意識(shí)到數(shù)量達(dá)噸級(jí)的經(jīng)化學(xué)分離的钚可能被盜用，或者轉(zhuǎn)為他用，也可能將相當(dāng)數(shù)量的可裂變材料用來(lái)制造原子彈。已有一些武器級(jí)的可裂變材料掌握在一個(gè)小的流氓國(guó)家手中，或者被恐怖組織所控制，這是不能接受的，而且將成為一個(gè)惡夢(mèng)。因此由福特基金會(huì)贊助了一筆資金開(kāi)展了一項(xiàng)研究，隨后于1979年4月7日這天美國(guó)卡特總統(tǒng)決定將美國(guó)后處理乏燃料的計(jì)劃作廢，放慢了開(kāi)發(fā)增殖堆的步伐。其它的國(guó)家并不步美國(guó)之后塵，依然繼續(xù)后處理乏燃料，并在關(guān)于后處理的危險(xiǎn)性的問(wèn)題上意見(jiàn)相左。這里我認(rèn)為在下半個(gè)世紀(jì)未來(lái)核電產(chǎn)生的乏燃料沒(méi)有必要后處理?；剂系墓?yīng)更為豐富，價(jià)格比預(yù)計(jì)的要便宜，鈾礦的供應(yīng)也較充足，實(shí)驗(yàn)增殖堆的成本比預(yù)期的要高得多。我的這種觀點(diǎn)可能與其他人的看法大相徑庭。后處理可能是一件值得去做的事情，但可能是因?yàn)槿剂腺Y源以外的其它原因。

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